《并行程序设计原理》课程教学大纲

《ADDINCNKISM.UserStyle并行程序设计原理》教学大纲课程名称：并行程序设计原理课程编号：1392英文名称：PrinciplesofParallelProgramming学时：32学时 学分：2学分开课学期：第6学期适用专业：数据科学与大数据技术专业课程类别：理论课课程性质：专业方向与拓展先修课程：《程序设计基础（C语言）》、《数据结构》、《算法设计与分析》一、课程的性质及任务《并行程序设计原理》课程是数据科学与大数据技术专业学生的专业方向与拓展课程，培养学生的并行思维、算法设计、系统架构及性能调优等多方面的能力。通过本课程的学习，学生理解数据科学中多种并行编程工具和语言，如MPI、OpenMP、CUDA等，以便学生能够在实际项目中灵活应用所学知识。依据河北工程大学数据科学与大数据技术专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：能够基于数据科学相关科学原理和数学模型方法正确表达大数据应用领域的复杂工程问题（毕业要求指标2.2）能运用数据科学与大数据技术的基本原理，借助文献研究，分析过程的影响因素，获得有效结论（毕业要求指标2.4）掌握大数据工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素（毕业要求指标3.1）能够针对智能信息系统设计、大数据技术应用等大数据应用领域的复杂工程问题设计实验方案、构建实验系统和测试平台、获得实验结果（毕业要求指标4.2）具有良好的表达能力和专业的描述方式，能够与业界同行及社会公众进行准确、高效的沟通和交流（毕业要求指标10.2）二、课程目标与要求2.1课程目标理解并行计算机体系结构的特征，掌握并行算法的设计和分析方法。熟悉并行编程语言和并行编程环境的使用，能够设计并实现高效的并行程序。培养学生的创新思维和实践能力，能够有效地运用这些知识和技术来解决实际问题。

并行程序设计原理课程教学大纲PAGE16PAGE4222.2课程目标与毕业要求对应关系毕业要求二级指标毕业要求123●●2-2能够基于数据科学相关科学原理和数学模型方法正确表达大数据应用领域的复杂工程问题2.掌握统计与机器学习的基本方法，能够综合运用数学、自然科学和数据科学的基本原理，对复杂的工程系统，识别问题、描述问题并通过文献研究分析与大数据相关的工程问题，以获得有效结论。●●2-4能运用数据科学与大数据技术的基本原理，借助文献研究，分析过程的影响因素，获得有效结论●●3-1掌握大数据工程设计和产品开发全周期、全流程的基本设计/开发方法和技术，了解影响设计目标和技术方案的各种因素3.能够设计出大数据应用领域的复杂工程问题的解决方案，具有数据采集、处理、分析、挖掘的能力，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等多维度协同发展因素。●●4-2能够针对智能信息系统设计、大数据技术应用等大数据应用领域的复杂工程问题设计实验方案、构建实验系统和测试平台、获得实验结果4.能够基于数据科学与大数据技术原理并采用科学方法对大数据应用领域的复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。●10-2具有良好的表达能力和专业的描述方式，能够与业界同行及社会公众进行准确、高效的沟通和交流具有沟通的能力、方法和技巧，能够就大数据应用领域的复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告及设计文稿，清晰表达和答辩；并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。2.3课程目标与培养环节对应矩阵序号课程目标理论教学课后作业1理解并行计算机体系结构的特征，掌握并行算法的设计和分析方法。HL2熟悉并行编程语言和并行编程环境的使用，能够设计并实现高效的并行程序。ML3培养学生的创新思维和实践能力，能够有效地运用这些知识和技术来解决实际问题。ML注：H表示该能力的在此环节重点培养；M表示该能力在此环节有应用要求；L表示该能力在此环节有所涉及。数据挖掘与机器学习课程教学大纲PAGE2PAGE4272.4目标达成度的评价课程目标1,2,3主要通过理论教学环节、课后作业和课程论文进行培养。主要通过课堂提问、课后作业和课程论文进行考核，目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对原理的分析、对方法的总结以及理论体系的完整建立。理论教学强调将并行程序设计的方法与工程实现的实际情况紧密联系，面向知识的实际应用。理论教学与实际操作相结合，帮助学生更好地理解并行程序设计知识，提高学生的创新能力。四、课程的基本内容与教学要求第1章并行计算机[教学目的与要求]：了解巨大挑战性问题对计算机有更强计算能力的需求，掌握并行计算机的概念和类型，掌握消息传递多计算机的体系结构特征，掌握机群在中使用多计算机的方法。[本章主要内容]：1.1对计算速度的需求1.2提高计算速度的潜力 1.3并行计算机的类型1.4机群计算[本章重点]：并行计算机及其编程，加速比及其他系数，由单处理器系统扩展成一个共享存储器多处理机系统，消息传递多计算机，机群计算。[本章难点]：。第2章消息传递计算[教学目的与要求]：掌握消息传递程序的基本结构以及进程之间的消息传递过程，了解特定消息传递系统MPI(消息传递接口)，评估消息传递并行程序。[本章主要内容]：2.1消息传递程序设计基础2.2使用计算机机群2.3并行程序的评估2.4用经验方法进行并行程序的调试和评估[本章重点]：基本的消息传递技术，发送、接收和集合操作，控制工作站网络的软件工具，通信的建模，通信时延和时延隐藏，并行算法的时间复杂性，并行程序的调试和评估。[本章难点]：消息传递的基本概念和原理，掌握编程模型和接口，处理并行和并发问题，调试和优化程序。第3章易并行计算[教学目的与要求]：掌握易并行程序设计与编写。[本章主要内容]：3.1理想的并行计算3.2易并行计算举例[本章重点]：理想的易并行计算，易并行问题和分析，分割二维数据集，获得负载平衡的工作池方法，计数器终止算法，蒙特卡罗法，并行随机数生成。[本章难点]：数据划分和负载平衡。第4章划分和分治策略[教学目的与要求]：掌握划分和分治的基本思想，掌握使用桶排序法排序、数值积分和N-体问题并行计算。[本章主要内容]：4.1划分4.2分治技术举例[本章重点]：划分和分治的基本概念，树结构，桶排序，数值积分，N体问题并行计算。[本章难点]：数值积分和N体问题并行计算。第5章流水线计算[教学目的与要求]：掌握流水线技术的基本思想、应用范围和计算平台，熟练运用流水线技术解决实际问题。[本章主要内容]：5.1流水线技术5.2流水线应用的计算平台5.3流水线程序举例[本章重点]：流水线技术的基本思想，插入排序、生成质数和解上三角形线性方程组的流水线方法。[本章难点]：利用流水线技术解决实际问题的过程。课程学时分配教学课次教学内容教学环节与计划时数教学环节计划时数1并行计算机理论课62消息传递计算理论课63易并行计算理论课6４划分和分治策略理论课65流水线计算理论课8六、课程考核与成绩评定6.1考核方式考核环节包括课程学习过程考核和期末考核，其中课程过程考核占总成绩的30%，分别由课堂表现、课后作业进行评定；期末考核占总成绩的70%，各环节的比重如下：考核环节比重合计过程考核（平时成绩）课堂表现10%30%作业20%期末考核课程论文70%70%总计100%100%6.2考核内容及要求本课程为考查课，考核内容及分值分配如下：考核方式考核内容分值课程目标总分值期末考核70%课程论文70目标1、2、3100分过程考核30%课堂表现课堂出勤情况10目标1、2、310分课后作业作业完成情况20目标1、2、320分6.3成绩评定1.课堂表现课堂表现总分10分，由课堂出勤情况评定。2.课后作业课后作业总分20分，由作业完成情况评定。每学期布置作业10次，每次作业占2分，评分标准如下：评分标准分值标准描述课后作业2能够按时认真完成作业、作业态度认真、书写清楚、分析计算正确。1按时完成作业，书写较为清楚，分析计算基本正确。0不交作业或作业态度不认真、抄袭他人作业。3.期末考试采用课程论文形式进行，期末成绩为百分制，计入总成绩时乘以70%，限制时间为1周。七、课程评价与持续改进7.1课程评价课程评价周期定为每1年评价一次。设置达成情况目标值，采用成绩分析法进行评价。课程达成评价根据数据科学与大数据技术专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。大数据系负责人组织教师实施课程评价，制定持续改进措施，监督持续改进过程。课程负责人负责撰写课程考核总结报告，实施课程评价持续改进。7.2持续改进1）日常教学：根据学生学习情况，教师采取座谈会、与学生单独交流，及时调整教学方法、进度，做出教学改进。2）课堂质疑或短时间交流讨论：对课堂质疑或讨论的效果进行分析，提出课程持续改进意见，用于本课持续改进。3）期末成绩总结：根据课程目标，实现课程达成评价，撰写课程总